污水廠污泥不同處置過程對碳排放影響分析

劉　偉　趙　剛　林曉虎　徐竟成,*　王榮生　林冰潔

（1同濟大學環境科學與工程學院長江水環境教育部重點實驗室上海2000922上海城投污水處理有限公司上海201203）

污水廠污泥不同處置過程對碳排放影響分析

劉偉1趙剛1林曉虎1徐竟成1,*王榮生2林冰潔2

（1同濟大學環境科學與工程學院長江水環境教育部重點實驗室上海2000922上海城投污水處理有限公司上海201203）

污泥處理處置過程中的碳排放是污水廠溫室氣體的重要來源。該研究以IPCC及UNFCCC發布的碳排放計算方法為基礎，以我國典型污泥處理處置工藝為例，計算不同工藝碳排放過程。研究表明，污泥的處理處置過程具有顯著的碳減排潛力，實施厭氧消化、降低干化污泥的含水率與提高余熱利用效率是污水廠削減碳排放的有效途徑。

污水廠；污泥；處置方式；碳排放

隨著經濟的高速增長，我國碳排放量增長迅速。1978年我國碳排放量為13.8×108t，2007年為60×108t，2011年則為80× 108t，占全球碳排放總量的25.5%，超美國約50%[1]。其中，污水處理廠的溫室氣體量逐年增加，自2003年的0.53×108tCO2當量增加到2009年的0.75×108tCO2當量，年平均增加5.95%[2]。其中，由于污泥產生量巨大，污泥處理處置過程中產生的CO2備受關注[3]。研究以IPCC及UNFCCC發布的碳排放計算方法為基礎，以我國典型污泥處理處置工藝為例，計算不同工藝碳排放過程，以比較不同污泥處置路線的碳排放量。研究結論可為污水處理廠污泥處理處置的碳減排及優化運行提供參考依據。

1　計算方法

該研究主要針對污泥的厭氧消化、干化、焚燒及外運處置單元進行碳排放量計算。計算基于含水率為80%的濕污泥，排放因子和活動參數的缺省值采用IPCC及UNFCCC推薦值，不同溫室氣體之間的溫室效應，以CO2作為參照氣體，換算比例為：CO2: CH4∶N2O=1:21:310。

2　污泥處理處置過程中的碳排放分析

2.1厭氧消化

2.1.1厭氧消化池泄漏量

E_（〖CH〗_4）=F_biogas×〖FL〗_biogas×w_（〖CH〗_4，biogas）〖×GWP〗_CH"4"（1）式中：—厭氧消化池物理泄露導致的CH4排放；—厭氧消化池出口處收集的沼氣量；—泄露的沼氣比例，缺省值為0.05m3/m3；—收集的沼氣中CH4濃度；—CH4全球增溫潛勢，缺省值為27。我國部分應用厭氧消化的大型污水廠沼氣產率見表1。以沼氣產率250 m3/tDS，CH4濃度60%計，污泥在厭氧消化階段由泄漏產生的碳排放量則為24.3kgCO2/t。

表1　部分大型污水廠厭氧消化沼氣產率

2.1.2熱能消耗產生的碳排放量

E_FC=Q/（ε×q）×〖EF〗_heat（2）式中：—熱能消耗產生的碳排放量；—熱能消耗量；—鍋爐及換熱器熱效率；—燃料發熱量；—燃料碳排放因子。以濕污泥比熱3.2 kJ/kg、平均氣溫25℃、消化溫度35℃計，則污泥升溫的熱耗為64 MJ/t，取熱損失為10%，則消化階段熱耗為70.4 MJ/t。假設消化過程采用煤粉作為熱源，其低位發熱量缺省值為20933 MJ/t，重量排放因子缺省值為2.527 tCO2/t，鍋爐及換熱器熱效率取80%，則熱能消耗產生的碳排放量為10.1 kgCO2/t。

2.1.3電能消耗產生的碳排放量

E_electr=C_(electr,digest)*EF（3）式中：—污泥厭氧消化電耗產生的間接碳排放量；—污泥厭氧消化處理單元的耗電量；—電耗碳排放因子。耗電量取24kwh/t，以1kW·h電能產生0.788kg CO2計，電能消耗產生的碳排放量為18.9 kgCO2/t。

2.1.4沼氣利用產生的碳減排量

〖E〗_biore=-(〖ME〗_biogas*〖EF〗_(CO"2,"electr)+〖MH〗_biogas*〖EF〗_(CO"2,"heat))（4）式中：—沼氣回收利用碳減排量；—沼氣發電量；—沼氣供熱量；—電能消耗的碳排放因子；—熱能消耗的碳排放因子。取1m3沼氣發電1.5kW·h，供熱7.0MJ，則沼氣利用產生的碳減排量為52 kgCO2/t。

2.2污泥干化—焚燒

2.2.1干化階段熱能消耗產生的碳排放量

E_dry=(S·M_1-W·M_2)*E_d〖*EF〗_(","heat)（5）式中：—熱干化處理熱能消耗產生的碳排放量；—脫水污泥的濕重；—干化后污泥量；—脫水污泥含水率；—干化污泥含水率；—干化消耗熱能。1kg80%含水率的濕污泥干化至含水率30%，其理論消耗的熱量為1793 kJ/kg。以煤作為熱源，取換熱鍋爐熱效率為80%，則干化階段熱能消耗產生的碳排放量為271 kgCO2/t。

2.2.2干化-焚燒階段電能消耗產生的碳排放量

如公式（3）所示，取干化-焚燒階段電能消耗量為40kW·h/t，則電能消耗產生的碳排放量為31.5 kgCO2/t。

2.2.3焚燒階段產生N2O排放量

E_incine-M_incine*〖EF〗_incine*〖GWP〗_(N"2"0)（6）式中：—污泥焚燒所排放的N2O；—污泥焚燒的量；—污泥焚燒生成N2O轉化因子，缺省值為0.99；—N2O全球增溫潛勢；則噸污泥焚燒產生的碳排放量為61.4 kgCO2/t。

2.2.4尾氣熱能利用產生的碳減排量

干化污泥的低位熱值取6500 kJ/kg，煙氣溫度取850℃，余熱利用后溫度取300℃，熱能利用效率約為60%，由公式（4）可知，其替代燃料產生碳減排量為235 kgCO2/t。

2.3外運填埋

2.3.1車輛運輸產生的碳排放量

E_trans=N×D×F×NCV×EF（7）式中：—污泥運輸過程CO2排放量；—污泥運輸的次數；—運輸距離；—；—運輸燃料的低熱值。取運輸噸污泥的百公里油耗為2.35 L/100km，污水廠與填埋廠的距離取40km，柴油發熱量取43652 MJ/t，碳排放因子為3.096 tCO2/t，則噸污泥運輸產生的碳排放量為2.4 kgCO2/t。

2.3.2填埋階段產生的碳排放量

E_landfill=M_landfill*MCF*DOC*〖DOC〗_F*F〖*16/12*GWP〗_CH"4"（8）式中：—填埋過程CH4排放量；—填埋干污泥的量；—CH4轉化因子，IPCC規定一般為1.0；—干污泥中可降解有機物含量，缺省值為0.5；—能轉化為沼氣的可降解有機物比例，缺省值為0.5；—CH4在氣體中的比例，缺省值為0.5。故噸污泥填埋產生的碳排放量為700 kgCO2/t，考慮填埋氣收集率為40%，則填埋階段產生的碳排放量為420 kgCO2/t。

3　不同處理處置路線的碳排放量

對于污泥處理處置的主要工藝單元：厭氧消化、干化焚燒和外運填埋，其碳排放量見表2。由表2可知，不同單元的碳排放量明顯不同。厭氧消化作為污泥前端處理單元，目的在于降低污泥有機質含量，提高后續工藝中的可處理性，其碳排放量較低，為1.3kgCO2/t。干化焚燒單元的碳排放量為129kgCO2/t，主要為干化階段用以蒸發水分所消耗熱能。外運填埋的碳排放量則為422kgCO2/t，主要是由于污泥在填埋階段產生大量的CH4直接排放。因此，對于污泥的填埋，提高填埋氣的收集與資源化利用率尤為重要。

表2　不同處理處置工藝單元的碳排放量/kgCO2/t

4　結語

污泥的處理與處置具有明顯的碳減排需求與潛力，是污水廠實施碳減排的重要環節。經沼氣收集的厭氧消化工藝單元、污泥干化焚燒工藝單元以及外運填埋的碳排放量分別為1.3kgCO2/t、128.9kgCO2/t和422.4kgCO2/t。污泥的厭氧消化能有效降低出廠污泥中的有機質含量與含水率，減少后續處理過程中的溫室氣體直接排放，并且消化產生的沼氣能夠進行資源化利用，是污水廠實施碳減排的重要途徑。

[1]戴曉虎，王凱麗，董濱，等.黃花和脫水污泥厭氧消化的溫室氣體減排研究[J].中國環境科學.2014,34(4)：876-883.

[2]彭潔，袁興中，江洪煒，等.城市污水污泥處置方式的溫室氣體排放比較分析[J].環境工程學報.2013,7(6):117-121.

[3]Masuda S,Suzuki S,SanoI,et al.The seasonal variation ofemission of greenhouse gases from a full-scale sewage treatment plant. Chemosphere,2015,140:167-73.

徐竟成（1961—），同濟大學環境科學與工程學院教授，博士生導師。研究方向：水污染控制及再生利。

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2010ZX07319-001-02）。